基于TMS320LF2407A DSP的PFC级电路的原理

2011-04-12 11:03:03来源: 互联网
1、引言

  带A/D转换器(ADC)和脉冲宽度调制器(PWM)等集成外设的低成本高性能数字信号处理器(DSP),已在电机控制、不间断电源(UPS)和运动控制等领域获得比较广泛的应用。低成本DSP在控制电源变换功能方面,为电源设计者提供了新的工具。

  与传统模拟控制比较,DSP控制器具有许多突出的优点,例如多平台标准硬件设计、对老化和环境变化的低敏感度、优异的抗噪扰性、易于履行高级控制算法、设计变更的灵活性及控制和通信功能的单芯片解决等。然而,在电源设计中使用DSP,对许多模拟设计者来说面临新的挑战,他们必须尽力改变设计,以适应新的数字环境。

  本文以由德州仪器TMS320LF2407A 16位定点DSP控制的平均电流型功率因数校正(PFC)升压变换器为例,来说明与传统模拟设计方案存在的不同。在模拟控制领域不同的控制环路参数,必须重新定义到它们的数字履行上,然后进行环路分析,并给出要求的电压和电流环路补偿器,最后介绍这些补偿器的分立化及它们在软件中的执行。通过PFC级数字控制器设计为例,可以识别模拟与数字控制之间的基本区别。

  2、TMS320LF2407A控制的PFC级电路

  图1所示为由TMS320LF2407A控制的PFC级电路。该拓扑是一种AC-DC升压变换器,为履行控制算法(algorithm),需要三个信号,即整流的输入电压Vin、电感器电流Iin和DC总线(输出电容Co)电压V。


图1  TMS320LF2407A控制的PFC级电路

  变换器由两个反馈环路控制:平均输出电压由较慢响应的外环调节,而整形输入电流的内环响应速度比外环快得多。瞬时信号Vin、Iin和Vo通过各自的电压和电流感测电路被检测,检测信号经三个数模转换器(ADC)信道反馈到DSP。这三个ADC通道分别是ADC/NO、ADCIN1和ADCIN2。这些信号的速率利用ADC控制环路的采样频率fs感测和转换。数字化感测的总线(bus)电压Vo与期望的参考总线电压Vref相比较,尔后将差分信号(Vref-Vo)馈入到电压环路控制器Gvea。数字化控制器Gvea的输出“B”与其它两个信号“A”和“C”相乘,为内部电流环路产生参考电流命令。在图1中,“A”代表感测的数字瞬时信号Vin。“C”可由下式确定:
 
  式中,Vdc是计算的感测数字化信号Vin的平均成分。在图1中的Iref是内部电流环路的参考电流命令,Iref具有经整流的正弦波形状,其幅度对于负载和AC线路电压的变化足以保持输出电压在一个参考电平Vref上。感测的数字化电感电流Iin与参考电流Iref进行比较,Iref与Iin之差值进入电流控制器Gca。Gca的输出最后为PFC开关产生PWM占空比命令。

  3、PFC级数字控制器设计

  图1所示的DSP控制的PFC变换器控制环路框图如图2所示。图中,Kf、Ks和Kd增益块替代了先前各自的电压和电流感测与调节电路。乘法器增益Km也加进控制单元中。Km允许参考信号Iref根据变换器输入工作电压范围进行调节。内部电流环路利用Iref来编程,电流环路功率级输入占空比命令是电感电流Iin。电流控制器Gca产生适当的控制输出Uca,致使Iin跟随Iref。电压控制器Gvea输出Unv输入到电压环路功率级,其输出是总线电压Vo。Gvea产生适当的Unv控制Iref的幅值,使Vo保持在参考电平上。德州仪器(TI)公司生产的TMS320LF2407A是一种16位定点(fixed-point)DSP控制器,被用作控制通用输入(85~265Vac)平均电流模式PFC预变换器。


图2  TMS320LF2407A控制的PFC级控制环路框图

  3.1  电压与电流感测增益

  输入电压Vin和输入电流Iin分别表示为
  Vin=Vm Sin2wt      0≤Vm≤Vmax
  Iin=Im sin2wt      0≤Im≤Imax
  式中:Vmax为峰值幅度Vm最大值,V;Imax为峰值幅度Im的最大值,A。

  基于DSP的PFC变换器信号通过芯片上的A/D转换器感测。为使这些信号进入A/D转换器的范围之内,利用适当的外部调节电路加至每个通道。用户软件读出变换的信号,即数字化信号。从ADC结果寄存器读出的数字化信号,用适当的定点格式保存在临时存储器单元。数字化信号用有限的字长被表示为数值。在16位DSP中,最低位(LSB)用作表示信号的尾数,最高位(MSB)用作代表其符号。为了实现转换,需要选择信号的范围,然后在定点表示的整个范围之内标记变化结果的全部范围。对于TMS320LF2407A DSP,正向信号的范围是从0到32767。一旦这个映像完成,下一步则是为这些数字化信号选择适当的定点算法计数法。对于16位DSP,利用Q15计数法作为这些信号的定点表示是有利的。用这种表示方法,数值在0~32767范围之内,表示绝对值在0与1之间。用Q15计数法,电压和电流相对于它们的最大值作为规格化的每单位(pu)数值被自动保存。

  在图2中,前馈电压感测增益Kf、电流感测增益Ks和PFC输出直流总线电压感测增益Kd分别表示为:
    Kf=1/Vmax
  Ks=1/Imax
  Kd=1/Vo(max)
  式中,Vmax为整流的输入电压Vin最大允许幅值,V;Imax为输入电流Iin的最大允许幅值,A;Vo(max)为直流总线电压最大允许值,V。

  3.2  输入电压前馈软件的实现

  输入电压前馈能使输入功率保持在规定的电平上,不随AC线路电压波动而变化。

  为计算输入电压Vin的平均成分Vdc,需要计算信号频率f(=1/t),然后对一个周期上的信号进行积分,如图3示图所描述。


图3 和Vin平均成分的计算

  3.2.1  频率计算

  在频率软件执行期间和其后的平均Vin的计算,每当信号跨越上门限Uth-hi时,Vin的采样数(N)被计数并被保存。信号的下门限Uth-Io用于获得抗扰度。若采样周期为Ts,采样频率为fs=1/Ts。Vin的周期为T,N=T/Ts。若N为已知数,每单位(per unit, Pu)频率fpu的计算公式是:
 
  式中,fmax为Uin的最大频率,Hz;Nmin为Uin一个周期上的采样最小数。计算频率的用户软件利用N值,首先计算中间值1/N,然后与Nmin相乘得到fpu值。为保存1/N值,并带最高精度,不引起累加器溢出,知道Nmin值是很重要的。为此,用户应当选择信号最大频率以被测量。一旦知道Nmin值,1/N量可以被保存,并带最大精度且用适当的定点表示。例如,对于一个输入工作频率为47~63Hz的PFC变换器,最大输入频率可以选择70Hz。然后用fmax=140Hz(两倍的输入频率)和已知的Ts值来计算Nmin,是非常容易的。

  3.2.2  前馈成分计算

  只要知道信号Vin的频率,它的平均成分Vdc可用下面公式计算:
 
  式中,T为相应于Uin频率f的时间周期, S;Vin(i)为Vin的数字化i次采样。

  由于Vin作为相对于它的最大值Vmax的每单位(pu)规格化值被测量,所计算的Vdc值也是一个带Vmax规格化基本值的每单位(pu)量值。对于一个正弦波输入电压,Vac的最大值仅为2Vmax/π。因此,在Vac的固定点表示中,为获得最佳精度,先前计算的值相对于它自己的最大值被转换为每单位规格化量值,这个值由下式给出:
 
  Vdc1的倒置电压Vinv(即Vinv=1/Vdc1)在Vdc1最小时值最大,反之亦然。为在Vinv固定点表示中获得较高的精度,需要用相对于其最大值的每单位(pu)规格化值来表示。对于一个正弦波输入电压,Vdc的最小值是2Vmin/π。输入电压最小幅值Vmin的选择,基于PFC变换器的输入电压范围。例如:若PFC变换器的低线路RMS电压是90V,Vmin值应低于或等于127V( )。Vinv的最大值为(Vminπ/2),相对于它自己最大值的相应Vinv的每单位(pu)值为:
 
  3.3  乘法器增益Km

  乘法器增益Km的调节,应能在最低输入电压上,当PFC变换器交付最大负载时,使参考电流Iref是在它的最大值上。在图2中,Iref为
 
  随电流环路闭合,Iref可表示为
 
  在最低工作电压Vinv=1时,满载下的电压控制器输出将在它的最大值上,即Vnv=1。因此,在最低工作电压上,为产生最大参考电流,要求Km值为:
 
  3.4  电压和电流环路补偿器

电流环路功率级高频近似值为:
 
  根据图2所示的PFC控制框图,电流环路增益等式为:
 
  式中,Fm为调制器增益,

  调制器在软件中部分地执行,并部分地利用DSP PWM硬件。软件利用调制器输入,即电流控制器输出Uca,计算在TMS320LF2407A中PWM硬件模块的占空比值。PWM硬件利用占空比值,为PFC开关产生适当的PWM信号。当调制器输入Uca是1时,软件保证调制器输出即PWM占空比为100%。在此情况下,调制器增益Fm=1。因此,对于电流环路的交越频率fci,需要的电流误差放大器补偿器可以表示为:
 
  只要电流环路闭合,电压环路功率级传输函数可按下式计算:
 
  式中,Zf为输出电容CO和负载阻抗ZO组成的并联分支的等效阻抗,Zf=ZO/(1+sCOZO);负载阻抗

  图2中电压环路增益等式如下:

  电压环路交越频率fcv需要的电压误差放大器补偿器为
 
  3.5  电压和电流环路补偿器软件的实现

  先前给出的电压和电流环路控制器,在它们利用TMS320LF2407A在软件中被执行之前,被变换为如下说明的等效数字形式,电流控制器可以写为:
 
  式中:KP为已计算的电流补偿器量值;E为电流误差信号。

电流环路补偿波

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关键字:DSP

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0412/article_6836.html
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